Hidrógeno en lugar de petróleo

Científicos rusos y suecos abren el camino a la energía fotovoltaica. Fuente: flickr / Machine Project

Científicos rusos y suecos abren el camino a la energía fotovoltaica. Fuente: flickr / Machine Project

El mundo está en busca de nuevas fuentes de energía renovable que puedan sustituir al petróleo y al gas. Como una de las variantes, los expertos consideran el hidrógeno (H2).

Teóricamente es posible obtener hidrógeno a través de la vía fotosintética. Para esto se necesita agua, la luz del sol y algas verdes o cianobacterias. Además es imprescindible demostrar que el método fotobiológico de fusión de hidrógeno es bastante efectivo y desarrollar la tecnología para su producción comercial. 

Expertos de la Universidad de Upsala (Suecia) y del Departamento de Biofísica de la Facultad de Biología de la Universidad Lomonósov de Moscú han dado un paso importante en esta dirección. 

Los resultados de su investigación ofrecen esperanzas de que la producción de hidrógeno a partir de algas verdes puede ser eficaz, a pesar del escepticismo de muchos científicos que ya han intentado sin éxito obtener resultados similares. 

“El hidrógeno es el combustible más prometedor, ecológico y limpio, ya que el único producto de combustión para este gas es el agua. El hidrógeno liberado por los microorganismos fotosintéticos, es una buena alternativa a la ingeniería química. Las microalgas verdes pueden producir H2 utilizando recursos inagotables: agua y energía solar. Pero, por desgracia, no se ha resuelto el problema de su bajo costo de producción en cantidades suficientes, de almacenamiento y transporte”, declaró  la doctora Aliona Vólgushevauna, participante rusa del proyecto,. 

La formación del H2 está relacionada con los procesos primarios de la fotosíntesis que se producen en complejos múltiples pigmento-proteína, en el fotosistema II (PSII). 

Precisamente allí, por efecto de la luz, el agua se descompone en oxígeno, iones de hidrógeno y electrones. El PSII también transfiere electrones a otras moléculas. Los electrones y los iones de hidrógeno se combinan para producir H2 con la participación de la enzima hidrogenasa, que en las algas verdes es aproximadamente 100 veces más activa que en otros organismos. 

Sin embargo, la síntesis directa de hidrógeno como resultado de la fotosíntesis es poco eficaz. 

La hidrogenasa opera solo en condiciones anaeróbicas (falta de oxígeno en el medio de vivencia de algún tipo de microorganismo viviente), y el oxígeno se forma durante la fotosíntesis. Por lo tanto, si queremos recibir gas más barato de origen vegetal, es imprescindible dividir las etapas de separación de O2 y síntesis de H2. 

Esto se puede hacer si cultivamos el alga unicelular Chlamydomonas reinhardtii bajo iluminación constante, en condiciones herméticas en un medio nutriente exento de azufre. 

El oxígeno separado del PS II, puede crear fácilmente formas altamente tóxicas y descomponer las proteínas del fotosistema. En condiciones normales en la célula se produce la síntesis de nuevas proteínas y el fotosistema se restaura de forma permanente. 

Ante la ausencia de azufre, la síntesis de determinados aminoácidos no es posible, por eso, los centros activos de PSII son destruidos gradualmente. Como resultado, la velocidad de la fotoxidación del agua y la formación de O2, disminuye. 

Sin embargo, las células respiran. Cuando la tasa de oxígeno es inferior a la tasa de consumo, el cultivo pasa a condiciones anaeróbicas, extremas para la Chlamydomonas reinhardtii. 

En ausencia de oxígeno los centros activos preservados de PS II producen más electrones que las chlamydomonas pueden utilizar. Su célula se 'ahoga' y puede morir. La situación la salva la hidrogenasa, que se activa en condiciones anaeróbicas, y reúne un exceso de electrones, para utilizarlos en la síntesis de hidrógeno. 

Los investigadores han utilizado un cultivo mutante de algas Stm6, en el que la velocidad de respiración es significativamente mayor que la de las células de tipo salvaje. 

En el cultivo mutante, la concentración de oxígeno se redujo a cero, una vez y media más rápido que en las chlamydomonas reinhardtii corrientes. La rápida aparición de condiciones de cultivo anaeróbicas permitió al cultivo mutante conservar una cantidad significativa de centros activos de PSII (52% del total), mientras que en las algas convencionales quedaba solo el 23%. 

Como sugieren los investigadores, precisamente esto permite a las células mutantes no solo el doble de tiempo para liberar hidrógeno, sino también aumentar su producción en cuatro o cinco veces en comparación con las algas corrientes. 

Sin embargo, los científicos necesitaban demostrar que los electrones que se utilizan en la síntesis del hidrógeno se forman en las células mutantes directamente en el proceso de la fotosíntesis, y no como resultado de las reacciones bioquímicas como la descomposición de algunos compuestos. 

Los investigadores utilizaron el diuron (DCMU) - una sustancia que inhibe el transporte de electrones en el PSII. En presencia de un inhibidor, la distribución del hidrógeno en el cultivo de mutantes y en el cultivo de tipo salvaje se redujo aproximadamente en un 80%. 

Por lo tanto, aproximadamente el 80% de los electrones que utilizan hidrogenasa, proceden del fotosistema II, es decir, se forman como resultado de la acción de la energía solar. El 20% restante de los electrones proceden probablemente de los productos de fermentación de almidón, que se acumula en grandes cantidades en las células privadas de azufre. 

Obviamente, la fotosíntesis puede ser utilizada para la conversión eficiente de la energía solar en hidrógeno. Y también por el hecho de que la PSII desempeña un papel clave en la producción por fotoinducción de H2 por las algas verdes. Los investigadores planean estudiar otros mutantes con una alta velocidad de respiración, parecida a las Stm6. Tales mutaciones permiten preservar el PSII de los efectos dañinos del oxígeno y aumentar la salida de H2. 

“En este trabajo, no solo presentamos las características cuantitativas del PSII, sino que hicimos una descripción detallada de los cambios producidos en todos los estadios de la síntesis de  hidrógeno. Investigaciones tan fundamentales son muy importantes, ya que sin un conocimiento básico, no es posible el desarrollo de las ramas aplicadas de la ciencia. También es importante que el estudio se realizara sobre células vivas, intactas, lo que nos permite interpretar los resultados obtenidos desde el punto de vista de sus posibles aplicaciones prácticas y, por tanto, encontrar nuevas maneras de aumentar la producción de H2”, dice Aliona Vólgusheva. 

Artículo publicado originalmente en ruso en S&T.